Nachdem wir vergangene Woche Gründe und Ursachen für die derzeit noch geringe Verbreitung von Simulationstechnologien in kleineren Betrieben erörtert hatten, wollen wir nun rekapitulieren und zum Abschluss dieser dreiteiligen Artikelserie noch einmal die Historie der Simulationstechnologie darstellen und auf deren großes Potential für die Zukunft hinweisen.

Das zukünftige Anwendungsspektrum von Simulationen wird nicht mehr primär durch Innovationen und Fortschritte bezüglich der Berechnungsalgorithmen und numerischen Verfahren gekennzeichnet sein.

Während mit der aufkommenden industriellen Relevanz von Simulationstechnologie in den 1990er Jahren große Erwartungen in die sich bereits damals abzeichnende exponentielle Zunahme der zukünftig verfügbaren Rechenleistung gesetzt wurde, muss retrospektiv festgestellt werden, dass dieses Paradigma nicht in der Lage war eine abschließende Demokratisierung dieser Technologie zu ermöglichen.

Besonders deutlich wird dies an der Entwicklung der Modellgröße der eingesetzten Simulationen. Damit wird die Anzahl an Freiheitsgraden bzw. Unbekannten des mathematischen Gleichungssystems bezeichnet, das zur Lösung der Berechnung verwendet wird. Es entspricht damit der räumlichen und ggf. zeitlichen Auflösung des Simulationsergebnisses und kann analog zur Anzahl der Messpunkte eines physischen Experiments betrachtet werden.

Der gegebene Zusammenhang zwischen Modellgröße und Ergebnisgenauigkeit führte zu einem starken Anwachsen der Berechnungsmodelle. Bildhaft wird dies am Beispiel der Formel 1, die einen großen Fokus auf Aerodynamik setzt und dementsprechend zu den frühen Anwendern von Strömungssimulationen zählt: Die im Jahr 1995 eingesetzten Berechnungen besaßen eine Größe von ca. 250.000 Elementen. Bereits zehn Jahre später wurden Modelle mit über 120 Millionen Elementen eingesetzt. Dies Entspricht einer Zunahme des Rechenaufwands um das 480-fache. Dies ist einzig und allein durch die fortschreitende Verfügbarkeit und Verbilligung von Rechenleistung möglich. Dies half jedoch hauptsächlich einem kleinen Kreis von bestehenden, finanzstarken Anwendern die Genauigkeit ihrer Berechnungen marginal zu erhöhen. An den grundsätzlichen Herausforderungen dieser Technologie für kleinere Anwender, welche im vorherigen Artikel umrissen wurden, änderte sich nichts.
Eine wahrhaftige Demokratisierung dieser Technologie kann daher auch nur durch einen Mentalitätswandel erreicht werden: In Zukunft wird insbesondere die Integration von Simulation ein entscheidendes Entwicklungsfeld darstellen. Dies betrifft sowohl methodisch-konzeptionelle Aspekte mit großen Auswirkungen auf vorausgehende Schritte der Produktentwicklung wie die Wahl der grundsätzlichen Produktoptimierungsstrategie als auch spezielle technische Aspekte wie die Verschiebung des Simulationsprozesses in Richtung der Konstruktion.

Der angesprochene Mentalitätswandel muss insbesondere beim Anwender stattfinden. Ein klassischer Produktentstehungsprozess sieht die Entwicklung und Herstellung eines ersten Prototyps vor, der anschließend durch physikalische Experimente optimiert wird. Grundsätzliche Design- und Gestaltungsentscheidungen müssen dabei besonders frühzeitig getroffen werden und das Produkt weitgehend fertiggestellt sein, bevor ein erster Versuch stattfinden kann. Das reine Ersetzen des physikalischen Experiments durch eine Simulation würde hierbei weder dem Potenzial dieser Technologie gerecht werden, noch in der Lage sein das Experiment sinnvoll zu ersetzen.

Deutlich wird dies am Beispiel eines Ventils. Um einen Prototypen erstmalig herstellen und testen zu können, ist es notwendig ein fertigungsgerechtes Computermodell zu erstellen. Dies bedeutet, dass neben dem Ventilkörper sämtliche Schrauben, Bohrungen, Dichtungen und Lagerung ausgelegt und konstruiert werden müssen. Der Fokus kann dabei zwangsläufig nicht vollständig auf die Gestaltung der Kernfunktionalität des Ventils gelenkt werden.

Ein simulationsbasierter Entwicklungsprozess hingegen setzt bereits in der frühen Konzeptionierungsphase ein und erlaubt durch kontinuierliche Iterationen verschiedenste Produktkonzepte virtuell zu testen.

Dieser eröffnet Ingenieuren und Designern damit neuartige Möglichkeiten und Perspektiven um Produkte schneller, besser und günstiger zu entwickeln. Gleichzeitig stellen simulationsunterstützte Entwicklungsprozesse einen ersten Schritt zur fortschreitenden Verzahnung von Kunden, Produktion und Entwicklung im Rahmen der Industrie 4.0 dar und werden vielleicht schon in naher Zukunft die Visionen von heute in die Realität umsetzen.

Vergleich der räumlichen Auflösung eines Modells zur Strömungssimulation eines Formel-1-Fahrzeuges: left: 1995, right: 2007, Source: SAÏF-DEEN AKANNI Vergleich der räumlichen Auflösung eines Modells zur Strömungssimulation eines Formel-1-Fahrzeuges: left: 1995, right: 2007, Source: SAÏF-DEEN AKANNI

Simulationsbasierter Produktentwicklungsprozess am Beispiel eines Ventils Simulationsbasierter Produktentwicklungsprozess am Beispiel eines Ventils